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FR2969824A1 - Diode de shockley bidirectionnelle a mesa prolonge - Google Patents

Diode de shockley bidirectionnelle a mesa prolonge Download PDF

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Abstract

L'invention concerne une diode de Shockley bidirectionnelle de type mésa, comprenant un substrat (1) d'un premier type de conductivité ; une couche (3, 5) du deuxième type de conductivité de chaque côté du substrat ; une région (7, 9) du premier type de conductivité dans chacune des couches du deuxième type de conductivité ; une région enterrée (17, 19) du premier type de conductivité sous chacune desdites régions du premier type de conductivité, chaque région enterrée étant complémentaire en projection de l'autre ; et un sillon (40, 42) disposé au voisinage de la périphérie du composant sur chacune de ses faces, la partie du composant externe au sillon comprenant , sous la partie externe (3-1, 5-1) des régions du deuxième type de conductivité supérieure et inférieure, des régions du premier type de conductivité (17-1, 19-1) de même profil de dopage que lesdites régions enterrées.

Description

B10737 - 10-TO-1135 1 DIODE DE SHOCKLEY BIDIRECTIONNELLE À MÉSA PROLONGÉ
Domaine de l'invention La présente invention concerne les composants de protection contre les surtensions et plus particulièrement une diode de Shockley bidirectionnelle.
On distingue deux types principaux de diodes de Shockley bidirectionnelles selon la technologie utilisée pour leur fabrication : les diodes planar et les diodes mésa. Exposé de l'art antérieur La figure 1 représente un exemple de diode de Shockley bidirectionnelle de type planar. Ce dispositif est formé dans un substrat 1 faiblement dopé de type N (typiquement 1014 à 1015 atomes/cm3). Du côté de la face supérieure est formé un caisson 3 de type P et du côté de la face inférieure est formé un caisson 5 également de type P. Habituellement, ces caissons sont symétriques et de même dopage. Dans le caisson supérieur 3 est formée une région 7 de type N, et dans le caisson inférieur 5 est formée une région 9 également de type N, les régions 7 et 9 étant fortement dopées. Les régions 7 et 9 sont complémentaires en projection et sensi- blement de même surface. Comme cela est représenté, ces régions 7 et 9 sont généralement interrompues par des courts-circuits d'émetteur.
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2 La périphérie du composant, entre la limite de caisson et le bord de la puce, est revêtue d'une couche isolante, respectivement 11 en face supérieure et 13 en face inférieure. Egalement, en périphérie de la structure, au bord de la puce, on trouve des anneaux fortement dopés de type N servant d'arrêt de canal, respectivement 15 en face supérieure et 16 en face inférieure. La face supérieure est revêtue d'une métallisation Al et la face inférieure d'une métallisation A2. Quand une tension positive est appliquée sur la borne Al, c'est la diode de Shockley PNPN 3-1-5-9 qui est susceptible de devenir passante, quand on dépasse la tension de claquage de la jonction en inverse entre les régions 1 et 5. Quand une tension positive est appliquée sur la borne A2, c'est la diode de Shockley PNPN 5-1- 3-7 qui est susceptible de devenir passante quand on dépasse la tension de claquage de la jonction en inverse entre les régions 1 et 3. Pour obtenir des tensions de claquage prédéterminées indépendamment du dopage du substrat et délimiter avec précision les zones de claquage en volume, on dispose en regard de la région N supérieure 7, une région N 17 à l'interface entre le caisson 3 et le substrat 1 et, en regard de la région N inférieure 9, une région N 19 à l'interface entre le caisson 5 et le substrat 1. Les régions N 17 et 19 seront appelées régions enterrées et résultent par exemple d'implantations réalisées avant formation des caissons P 3 et 5. Ainsi, c'est la jonction J2 entre la région N 17 et le caisson P 3 et la jonction J1 entre le caisson P 5 et la région N 19 qui déterminent les tensions de claquage du dispositif. On a en outre représenté des régions enterrées optionnelles de type P 21 et 23 en regard des régions enterrées de type N 19 et 17, respectivement. Les régions enterrées 21 et 23 ont pour objet de réduire l'épaisseur effective du substrat 1 dans chacune des diodes de Shockley, afin de réduire la résistance à l'état passant du dispositif de protection.
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3 Une diode de Shockley bidirectionnelle de type planar telle que représentée en figure 1, fournit des résultats satisfaisants. Toutefois, dans de nombreux cas, on préfère pour des raisons technologiques réaliser des diodes de type mésa, notamment parce qu'il est beaucoup plus simple de réaliser des régions P relativement profondes (plus de 30 }gym pour des diodes adaptées à des tensions de claquage allant de 50 à 400 V) sans masquage. La figure 2 représente un exemple de diode de Shockley bidirectionnelle de type mésa. Pour simplifier la description, on a désigné des couches homologues à celles de la figure 1 par de mêmes références. Une différence essentielle est que, au lieu de réaliser des caissons localisés de type P 3 et 5 de part et d'autre du substrat, on réalise, sans masquage, des couches uniformes de type P, également désignées par les références 3 et 5, sur les deux faces du substrat. La diode est délimitée par des sillons périphériques, respectivement 31 du côté de la face supérieure et 33 du côté de la face inférieure, remplis d'un matériau isolant approprié, respectivement 35 et 37, couramment une glassivation. Les sillons viennent couper les jonctions entre le substrat et les couches P 3, 5. Les diodes d'une même tranche sont séparées les unes des autres par découpe au milieu d'un sillon. De façon générale, en comparaison avec une diode de type planar, une diode de Shockley bidirectionnelle de type mésa, polarisée à une tension inférieure à sa tension de claquage, présente des courants de fuite plus élevés. En outre, ces courants de fuite ont tendance à augmenter pendant la durée de vie du composant lorsque celui-ci est soumis à des contraintes externes, telles que polarisation prolongée et température élevée. On a illustré en figure 2 par des pointillés gras l'équipotentielle VA2 lorsqu'on applique une différence de potentiel (VA2 - VAU positive entre les électrodes A2 et Al. La technologie utilisée pour créer le sillon mésa, sa forme géomé- trique spécifique ainsi que la nature des matériaux passivants B10737 - 10-TO-1135
4 expliquent la répartition des équipotentielles aux bords du composant ainsi que leur évolution sous contraintes. Le champ électrique ainsi présent aux interfaces passivations-silicium est responsable des courants de fuite élevés.
De nombreuses solutions et structures de diodes de Shockley bidirectionnelles de type mésa ont été proposées pour pallier ces inconvénients. Néanmoins, toutes les solutions connues sont relativement complexes et nécessitent des étapes de fabrication supplémentaires par rapport à celles nécessaires à la réalisation d'un composant tel que celui illustré en figure 2. Il existe donc un besoin pour une diode de Shockley bidirectionnelle de type mésa simple et à courant de fuite faible et stable dans le temps.
Résumé Ainsi, un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir une diode de Shockley bidirectionnelle de type mésa simple à réaliser et présentant des courants de fuite faibles et stables dans le temps.
Plus particulièrement, la présente invention vise à réaliser une telle diode de Shockley bidirectionnelle sans augmenter le nombre d'étapes nécessaires à la fabrication d'une diode de Shockley bidirectionnelle telle que celle de la figure 2.
Un mode de réalisation de la présente invention prévoit une diode de Shockley bidirectionnelle de type mésa, comprenant : un substrat d'un premier type de conductivité ; une couche du deuxième type de conductivité de chaque côté du substrat ; une région du premier type de conductivité dans chacune des couches du deuxième type de conductivité ; une région enterrée du premier type de conductivité sous chacune desdites régions du premier type de conductivité, à l'interface entre le substrat et la couche correspondante du deuxième type de conductivité, chaque région enterrée étant complémentaire en projec- tion de l'autre ; et un sillon disposé au voisinage de la B10737 - 10-TO-1135
périphérie du composant sur chacune de ses faces, la partie du composant externe au sillon comprenant, sous la partie externe des régions du deuxième type de conductivité supérieure et inférieure, des régions du premier type de conductivité de même 5 profil de dopage que lesdites régions enterrées. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le premier type de conductivité est le type N et le deuxième type de conductivité est le type P. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la diode de Shockley bidirectionnelle comprend des régions enterrées du deuxième type de conductivité, aux interfaces entre couches et substrat en regard des régions enterrées du premier type de conductivité. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1, décrite précédemment, est une vue en coupe schématique d'une diode de Shockley bidirectionnelle de type planar ; la figure 2, décrite précédemment, est une vue en coupe schématique d'une diode de Shockley bidirectionnelle de type mésa ; la figure 3 est une vue en coupe schématique d'une diode de Shockley bidirectionnelle selon un mode de réalisation de la présente invention ; et la figure 4 est une courbe indiquant des niveaux de dopage dans la direction y du plan IV-IV de la figure 3.
Comme cela est habituel dans la représentation des composants électroniques, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Description détaillée La figure 3 est une vue en coupe schématique d'une 35 diode de Shockley bidirectionnelle comprenant de mêmes éléments B10737 - 10-TO-1135
6 qu'en figure 2 désignés par de mêmes références. Les couches 3 et 5 sont formées sans masquage des deux côtés de la structure et les autres éléments sont formés dans ces couches de la même manière. Toutefois, cette fois-ci, les sillons 40, 42, remplis d'une glassivation 44, 46 sont formés non pas à la périphérie extrême de chaque composant, mais un peu à l'intérieur de cette périphérie, de façon qu'il demeure des parties du substrat non gravées à l'extérieur du sillon. Dans ces parties de substrat non gravées, apparaissent donc, respectivement du côté de la face supérieure et du côté de la face inférieure, des parties 3-1 et 5-1 des couches P supérieure et inférieure 3 et 5. De plus, en même temps que l'on forme les régions enterrées de type N 17 et 19, on forme des régions enterrées annulaires de type N 17-1 et 19-1 à la périphérie de composant, à l'extérieur des sillons 40 et 42. Pour former ces régions annulaires 17-1, 19-1, il suffit de modifier le masque utilisé pour délimiter les implantations de type N 17, 19. Ainsi, on obtient la structure de la figure 3 sans effectuer aucune opération supplémentaire par rapport aux étapes utiles à la réalisation de la structure de la figure 2. De plus, on notera que les sillons 40 et 42 de la figure 3 peuvent être plus étroits que les sillons 31 et 33 de la figure 2. Pour mieux faire comprendre les avantages de la présente invention, on a représenté en figures 2 et 3, par des pointillés gras, les équipotentielles VA2 dans le cas où on applique une différence de potentiel positive (VA2-VA1) entre les électrodes A2 et Al. On voit, en figure 2, que, en périphérie du composant, sous l'effet des charges inévitablement présentes dans la glassivation 35, cette équipotentielle 0 volt tend à s'étaler jusqu'à la périphérie du composant, ce qui favorise l'apparition de courants de fuite circulant verticalement le long de cette périphérie. Par contre, dans la structure de la figure 3, l'équipotentielle VA2 s'arrêtera nettement au niveau de la région N 35 17-1. Cette équipotentielle ne s'étale donc pas jusqu'à la B10737 - 10-TO-1135
7 périphérie et les risques d'apparition de courants de fuite périphériques sont réduits. La figure 4 représente la distribution des niveaux de dopage dans la direction y du plan IV-IV de la figure 3, pour une diode ayant une tension de claquage de l'ordre de 300 volts. Le composant a une épaisseur totale de 240 pm, les couches P 3 et 5 ont des épaisseurs de 35 pm, c'est-à-dire que la zone occupée par le substrat N a une épaisseur d'environ 170 pm. On note que la région du substrat 1 dopée de type N à 1014 atomes/cm3 est encadrée de régions de type N dopées à environ 1015 atome/cm3 qui correspondent aux anneaux 17-1, 19-1 disposés en périphérie du composant. Les sillons 40, 42 doivent avoir une épaisseur supérieure à la profondeur de jonction des couches de type P 3 et 5. Ces sillons auront par exemple une profondeur de 50 pm. Des modes de réalisation particuliers de la présente invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art, notamment en ce qui concerne les dimensions en épaisseur des diverses couches, et les niveaux de dopage qui seront adaptés aux tensions de claquage recherchées qui seront de préférence comprises dans une plage de 50 à 400 volts. Tout procédé de fabrication connu de diode de Shockley bidirectionnelle de type mésa pourra être utilisé, du moment que l'on forme des anneaux périphériques de type N en même temps (par la même implantation) que des régions enterrées de type N de fixation de tension de claquage. D'autre part, on pourra réaliser un composant similaire à celui décrit ici en inversant tous les types de 30 conductivité des diverses couches.

Claims (3)

  1. REVENDICATIONS1. Diode de Shockley bidirectionnelle de type mésa, comprenant : un substrat (1) d'un premier type de conductivité ; une couche (3, 5) du deuxième type de conductivité de 5 chaque côté du substrat ; une région (7, 9) du premier type de conductivité dans chacune des couches du deuxième type de conductivité ; une région enterrée (17, 19) du premier type de conductivité sous chacune desdites régions du premier type de 10 conductivité, à l'interface entre le substrat et la couche correspondante du deuxième type de conductivité, chaque région enterrée étant complémentaire en projection de l'autre ; caractérisée en ce qu'elle comprend un sillon (40, 42) disposé au voisinage de la périphérie du composant sur chacune 15 de ses faces, la partie du composant externe au sillon comprenant, sous la partie externe (3-1, 5-1) des régions du deuxième type de conductivité supérieure et inférieure, des régions du premier type de conductivité (17-1, 19-1) de même profil de dopage que lesdites régions enterrées. 20
  2. 2. Diode de Shockley bidirectionnelle selon la revendication 1, dans laquelle le premier type de conductivité est le type N et le deuxième type de conductivité est le type P.
  3. 3. Diode de Shockley bidirectionnelle selon la revendication 1 ou 2, comprenant des régions enterrées (21, 23) du 25 deuxième type de conductivité, aux interfaces entre couches (3, 5) et substrat en regard des régions enterrées du premier type de conductivité.
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